智能控制08 模糊控制设计总结优缺点及改进ppt课件.ppt
模糊控制的优缺点,设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌握人类的控制经验。系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制,优点：,模糊控制的优缺点,模糊化和反模糊化过程缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。总结模糊控制规则有时比较困难。控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。,缺点：,模糊控制的改进方法,Why?,模糊控制的特点,可以实现人的控制策略易于实现,在平衡点附近会产生振荡，稳态精度较差提高控制精度必须以多分档为代价，因此使得规则数和计算量大大增加,PID控制的特点：运用普遍参数对控制性能具有较大影响,模糊PID,3.3.2 模糊控制与PID控制的结合-双模控制,双模控制器由模糊控制器和PI控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PI控制器来消除稳态误差。,控制开关的控制规则可以描述为：,基于切换方式实现的模糊PID控制器,Fuzzy控制器,PID控制器,对象,r,-,y,e,基于切换方式实现的模糊PID控制器,Example:,Simulink仿真实现,Switch介绍,控制效果,模糊PID,PID,Kp=2,Ki=1,Kd=0,基于参数自整定的模糊PID控制器,PID控制器,对象,r,-,y,e,确定输入、输出变量,输入变量：e、de 输出变量：,PID控制器,对象,r,-,y,e,dkp,dki,dkd,de,e,Fuzzy控制器,参数整定,讨论：PID对控制系统的影响,比例系数（现在）：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定。Kp 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分系数（过去）：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数（未来）：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。,模糊规则表,e,ec,参考论文,模糊自整定PID控制器的设计及其应用，吴振顺，姚建均，岳东海，哈尔滨工业大学学报，2004年11月。,3.3 模糊控制的改进方法,串联控制,当|E|1时,系统的误差e和模糊控制器的输出u的和作为PI控制器的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用;当|E|1时,模糊控制器输出断开,仅有e加到PI控制器的输入,消除稳态误差。,3.3 模糊控制的改进方法,并联控制,当|E|1时，模糊控制器开关闭合，PI控制器的输出和模糊控制器的输出的和作为被控对象的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用；当|E|1时,模糊控制器输出断开，仅有PI控制器控制对象,消除稳态误差。,3.3.3 自校正模糊控制,普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运行时无法在线调整，自适应能力差,自校正模糊控制器通常分为两种：参数自校正模糊控制器 规则自校正模糊控制器,自校正模糊控制器,在线修正模糊控制器的参数或控制规则，增强模糊控制器的自适应能力,参数自校正模糊控制器,1）量化因子e、ec和比例因子u对控制性能的影响,如果E、EC、U的论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的，也就是说，E、EC和U的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为：,U(k)=f E(k),EC(k),2）Ke、Kec、Ku的调整方法,e和ec较大,尽快消除误差，加快响应速度,降低Ke和Kec；加大Ku,降低Ke和Kec可以降低对e和ec输入量的分辨率,使得e、ec的减少不致于使控制器的减少太多。加大比例因子Ku,可以获得较大的控制量,使响应加快。,e和ec较小,系统已经接近稳态,此时要求提高系统精度,减少超调量,加大Ke和Kec；降低Ku,增大Ke和Kec可以提高对输入变化的分辨率，使得控制器可以对微小的误差做出反应，提高稳态的精度减少Ku，以减小超调量,3.3 参数自校正模糊控制器,根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计一个模糊参数调整器，在线地根据偏差e和偏差变化ec来调整Ke、Kec、Ku的取值。在不影响控制效果的前提下，可以取Ke、Kec增加的倍数与输出的比例因子Ku减小的倍数相同。,确定模糊控制器的输入变量和输出变量；该模糊参数调整器的输入与模糊控制器的输入相同，为偏差E和偏差变化EC；输出为Ke、Kec的增加倍数N（即Ku的减小倍数）。,模糊参数调整器的设计,参数自校正模糊控制器,E、EC的隶属函数分布,确定输入，输出的论域、语言取值及其隶属函数；,输入E、EC的论域都定义为:E、EC-6,-5,-1,0,1,5,6语言值定义为：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB,参数自校正模糊控制器,N的论域定义为：1/8,1/4,1/2,1,2,4,8；语言值定义为：(高缩)、(中缩)、(低缩)、(不变)、(低放)、(中放)、(高放)；,N的隶属函数分布,参数自校正模糊控制器,总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系,N的调整规则表,根据规则表蕴涵的模糊关系，经过模糊推理和清晰化操作，可以总结出相应的模糊参数调整查询表。,CH(高缩)、CM(中缩)、CL(低缩)、OK(不变)、AL(低放)、AM(中放)、AH(高放),参数自校正模糊控制器,参数自校正模糊控制系统原理图,参数自校正模糊控制器实现步骤,（1）以原始的Ke和Kec对e和ec进行量化得到E、EC；（2）由E、EC查模糊参数调整查询表得出调整倍数N;（3）令Ke=KeN，Kec=KecN，Ku=Ku/N；（4）用调整后的Ke、Kec 对e和ec重新量化；（5）用重新量化的E、EC查模糊控制表,得出控制量U。（6）用比例因子Ku 乘以U获得控制量u。,规则自校正模糊控制器,控制规则和查询表都是在人工经验的基础上设计出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往在某种程度上显得精度不高或不完善;当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的影响时，需要对控制规则和查询表及时进行修正。,1）为什么要进行规则校正?,规则自校正模糊控制器,对于一个二维模糊控制器，当输入变量偏差E、偏差变化EC和输出控制量U的论域等级划分相同时，则其控制查询表可以近似归纳为：,在上式的基础上引入一个调整因子，则可得到一种带有调整因子的控制规则：,为调整因子或加权因子，它反映了误差E和误差变化EC对控制输出量U的加权程度，通过调整值，可以达到改变控制规则的目的。,2）如何进行规则的校正？,规则自校正模糊控制器,的调整对控制性能的影响,当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响应速度，这时对误差的加权应该大些；当误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的作用大些，即对误差变化的加权大些。,因此，在不同的误差范围时，可以通过调整加权因子，来实现控制规则的自调整。,规则自校正模糊控制器,的调整方法,分段法,将误差的取值范围划分为几段，每一段对应一个调整因子。的取值随误差的增大而增大。,的调整方法函数法(2),偏差大时，较大，系统能尽快消除偏差;偏差小时，较小，系统能尽快趋于稳态。即根据模糊目标的隶属函数来调节大小。,3.3.4 变结构模糊控制,控制系统在实际运行中，往往会运行于不同的工作状态。在不同的工作状态，控制的规则、输入输出的论域都不同。可以将工作过程划分为几个状态，对不同的状态分别设计不同的模糊控制器。系统在运行时，可以根据系统偏差、偏差变化率等状态特征，识别出系统所处的状态，切换到所需的模糊控制器。,思考题,用自己的语言和理解描述：什么是模糊控制？模糊控制器的适用场合？设速度论域为0,300m/s,请将速度变量用慢，中，快三个模糊集合表示（用图示法表示出来）,
